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Cours n Cours n° ° 3 3 Synthèse de formes acoustiques Synthèse de formes acoust

Cours n Cours n° ° 3 3 Synthèse de formes acoustiques Synthèse de formes acoustiques Introduction à Java Sound Introduction à Java Sound Sommaire 1. Synthèse de formes acoustiques 1.1. Synthèse du timbre 1.1.1. Synthèse additive 1.1.2. Synthèse non-linéaire 1.1.3. Synthèse soustractive 1.1.4. Autres méthodes 1.1.4. Autres méthodes 1.2. Synthèse de la temporalité 1.2.1. Générateur d’enveloppe 1.2.2. Modulation basse fréquence 2. Introduction à Java Sound 2.1. Package javax.sound.sample 2.2. Restitution sonore Année 2008 - 2009 2 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek Références bibliographiques Synthèse de formes acoustiques D. Mercier, Le livre des techniques du son (tome 2), Dunod, 2004. I. Waugh, Quick guide to analogue synthesis, PC Publishing , 2000. 2000. T. Thomas, Sound Synthesis: Analog and Digital Techniques, Tab books, 1990. Java Sound java.sun.com/j2se/1.5.0/docs/guide/sound/index.html J.-M. Farinone, Java et le multimédia, Dunod, 2003. Année 2008 - 2009 3 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1. Synthèse de formes acoustiques Année 2008 - 2009 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 4 1. 1. SYNTHESE DE FORMES ACOUSTIQUES SYNTHESE DE FORMES ACOUSTIQUES Historique Historique 1897 Thelarmonium ou dynamorphone [Cahill] Synthétiseur polyphonique (oscillations produites par l’alternateur d’un moteur électrique) 200 tonnes 1920 Théréminvox [Termin] Synthétiseur monophonique (interférences entre deux hautes fréquences, une fixe et l’autre variant en fonction de la position de la main) 1928 Ondes musicales [Martenot] Amélioration du théréminvox 1928 Ondes musicales [Martenot] Amélioration du théréminvox Ajout d’un clavier, possibilité de vibrato et de glissando, modification du timbre Succès auprès des compositeurs (A. Honegger, P. Boulez, E. Varese, O.Messian) 1930 Trautonium [Trautweun] Synthétiseur à lampe monophonique puis diphonique (synthèse soustractive) Cris des oiseaux dans la bande sonore du film "Les oiseaux" d'Hitchcock. 1954 RCA Mark 1 [Olsen & Belar] Premier synthétiseur programmable (forme d’onde sur papier perforé) 1700 tubes (6 mètres de long, 2 mètres de haut) 1983 Sortie du DX 7 par Yamaha Année 2008 - 2009 5 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1 1.1 SYNTHESE DU TIMBRE SYNTHESE DU TIMBRE Définition Définition Timbre d'un instrument (ou couleur) Définition perceptive Couleur d’un instrument (signature discriminante d’un type d’instrument), Différence perceptible entre la note « la » (440 Hz) d’un piano et la même note jouée sur une harpe Définition mathématique Sons périodiques mais pas de sons purs (sinusoïdes), Note de hauteur f0 = Son périodique de fréquence f0 (fondamental) + Sons périodiques de fréquence n.f0 (harmoniques) Pour une note donnée, pour un type d’instrument donné Agencement unique des harmoniques Année 2008 - 2009 6 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.1 1.1.1 SYNTHESE ADDITIVE SYNTHESE ADDITIVE Principes Principes Addition de formes d’ondes élémentaires périodiques Synthèse de Fourier (superposition de signaux sinusoïdaux d’amplitude et de fréquence différentes), Approximation d’une forme complexe par analyse-synthèse des harmoniques Coût de calcul important Coût de calcul important 20-30 harmoniques pour une note d’un instrument à vent, Plus de 150 harmoniques pour une note de piano, Polyphonie à 32 voies -> Addition et contrôle de plusieurs milliers de signaux sinusoïdaux Synthétiseur RMI (Harmonic-synthetiser) Année 2008 - 2009 7 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.1 1.1.1 SYNTHESE ADDITIVE SYNTHESE ADDITIVE Exemple Exemple Synthèse d’une note « do » Son de fréquence fondamentale 261.6 Hz (do), 4 harmoniques d’énergie décroissante Année 2008 - 2009 8 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.2 1.1.2 SYNTHESE NON SYNTHESE NON-LINEAIRE LINEAIRE Principes Principes Génération de formes d’ondes complexes Opérateurs non-linéaires sur des formes d’ondes élémentaires périodiques Synthèse à modulation de fréquence [Chowning 73] Soient deux formes d’ondes élémentaires périodiques : Forme d’onde modulante F et forme d’onde porteuse F Forme d’onde modulante Fm et forme d’onde porteuse Fp Les fréquences fp et fm sont du même ordre de grandeur et généralement dans un rapport simple (1:1, 1:2, 1:4, ...). Son riche en harmoniques sans correspondance avec un instrument précis Circuit Yamaha OPL2, OPL3, OPL4 Synthétiseur DX7 )) , ( , ( ) , , ( fm t fp t fm fp t F F F m p FM + = Année 2008 - 2009 9 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.2 1.1.2 SYNTHESE NON SYNTHESE NON-LINEAIRE LINEAIRE Exemple de synthèse FM Exemple de synthèse FM Synthèse d’une note « do » Forme d’onde porteuse de fréquence 261.6 Hz (do) modulée par une forme d’onde modulante de fréquence triple Année 2008 - 2009 10 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.3 1.1.3 SYNTHESE SOUSTRACTIVE SYNTHESE SOUSTRACTIVE Principes Principes Génération d’un son périodique de spectre complexe Soustraction d’harmoniques par un ou plusieurs filtres résonnants Sons périodiques riches en harmoniques Triangle (harmoniques paires)décroissance forte (12 dB/octave) Carré (harmoniques paires) décroissance faible (6 dB/octave) Dent de scie (harmoniques paires et impaires) décroissance faible (6 dB/octave) Impulsions, trapèze, double sinus, … Synthétiseur Moog, ARP, Elka, Roland, … Année 2008 - 2009 11 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.3 1.1.3 SYNTHESE SOUSTRACTIVE SYNTHESE SOUSTRACTIVE Exemples de synthèse soustractive Exemples de synthèse soustractive (1/3) (1/3) Synthèse d’une note « do » Forme d’onde en triangle de fréquence 261.6 Hz (do) filtrée à 1500 Hz Année 2008 - 2009 12 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.3 1.1.3 SYNTHESE SOUSTRACTIVE SYNTHESE SOUSTRACTIVE Exemples de synthèse soustractive Exemples de synthèse soustractive (2/3) (2/3) Synthèse d’une note « do » Forme d’onde en carré de fréquence 261.6 Hz (do) filtrée à 1500 Hz Année 2008 - 2009 13 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.3 1.1.3 SYNTHESE SOUSTRACTIVE SYNTHESE SOUSTRACTIVE Exemples de synthèse soustractive Exemples de synthèse soustractive (3/3) (3/3) Synthèse d’une note « do » Forme d’onde en dent de scie de fréquence 261.6 Hz (do) filtrée à 1500 Hz Année 2008 - 2009 14 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.1.4 1.1.4 AUTRES METHODES DE SYNTHESE AUTRES METHODES DE SYNTHESE Synthèse à table d'ondes Table contenant un ensemble de formes d’ondes préenregistrées ou synthétiques (stockage d’une ou de plusieurs périodes) Synthétiseurs PPG (Wave), Korg (WWavestation), Waldorf (Wave) Synthèse granulaire Construction du son à partir d’une grande quantité de signaux audio de faible durée (50 ms) Synthétiseurs PropellerHeads (Maelström), Native Instrument (Reaktor) Synthèse par fonction d’onde formantique Extension de la synthèse granulaire au domaine fréquentiel Synthétiseurs Yamaha (FS1R), Roland (JP8080) Synthèse par modélisation physique Modèle mathématique décrivant les propriétés physico-acoustique d’un instrument de musique Synthétiseurs Korg (Prophecy), Yamaha (série VL) Année 2008 - 2009 15 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek Evolution temporelle des paramètres d’un son Hauteur, Intensité, Timbre Organisation supra-segmentale Cadence de succession et durée des notes (rythme, tempo, temps), Structures temporelles imbriquées décrites dans la partition 1.2 1.2 SYNTHESE DE LA TEMPORALITE SYNTHESE DE LA TEMPORALITE Définitions Définitions Organisation infra-segmentale Description de la structure temporelle d’une note et des liaisons avec les notes adjacentes Evolution temporelle de l’intensité d’une note enveloppe, tremolo Evolution temporelle de la hauteur d’une note vibrato, glissando Année 2008 - 2009 16 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.2.1 1.2.1 GENERATEUR D’ENVELOPPE GENERATEUR D’ENVELOPPE Principe Principe Modèle d’évolution temporelle de l’intensité d’un signal musical Modèle d’évolution ADSR Transitoire d’attaque (Attack), Décroissance (Decay), Tenue (Sustain), Relâchement (Release) Relâchement (Release) Adapté à la majorité des instruments de musique Modèle d’évolution analytique (synthétiseur virtuel) Description par une suite de segments niveau de départ et d’arrivée, pente Lien avec l’évolution de la hauteur Année 2008 - 2009 17 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 1.2.2 1.2.2 MODULATEUR BASSE MODULATEUR BASSE-FREQUENCE FREQUENCE Principe Principe Générateur de fréquence inférieure aux fréquences audibles (20 Hz) Low Frequency Oscillator (LFO), Fréquence réglable, Formes d’ondes usuelles (sinus, triangle, carré, dent de scie, …) Production d’un effet trémolo Variation par rapport à la valeur initiale de l’amplitude du son en fonction de Variation par rapport à la valeur initiale de l’amplitude du son en fonction de l’amplitude de la forme d'onde du LFO Production d’un effet vibrato Variation par rapport à la valeur initiale de la hauteur du son en fonction de l’amplitude de la forme d'onde du LFO Année 2008 - 2009 18 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 2. Introduction à Java Sound Année 2008 - 2009 M1 – Conception Audio – Marie-José Caraty / David Janiszek 19 2. 2. INTRODUCTION A JAVA SOUND INTRODUCTION A JAVA SOUND Généralités Généralités 1995 Sortie de Java Exécution de fichiers sons de format MIC dans des applets 2001 Sortie de Java 1.3 Intégration de l’API Java Sound, • Format multiples de fichiers sons (AIFF, AU and WAV ), • Formats multiples de son (échantillonnage 8 kHz à 48 kHz, quantification sur 8 et • Formats multiples de son (échantillonnage 8 kHz à 48 kHz, quantification sur 8 et 16 bits, mono et stéréo) • Format multiples de codage (PCM, MIC), • Formats multiples de fichiers musicaux (MIDI type 0 et 1, RMF) Quatre paquetages uploads/s3/ conception-audio-cours-n-3.pdf